DE19640663C2 - Solid lubricant layer, method of manufacture and its use - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Feststoffschmierschicht auf der Basis wenigstens einer
Verbindung der Formel MeXn, worin
Me Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal oder Titan,
X Schwefel, Selen oder Tellur ist,
mit einem Lagenaufbau aus Hauptschichten aus der Verbindung der Formel MeXn mit
einer Schichtdicke von 5 nm bis 1000 nm, die durch dünnere Zwischenschichten aus
einem anderen Material getrennt sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher
Schichten.The invention relates to a solid lubricant layer based on at least one compound of the formula MeX n , wherein
Me molybdenum, tungsten, niobium, tantalum or titanium,
X is sulfur, selenium or tellurium,
with a layer structure of main layers made of the compound of the formula MeX n with a layer thickness of 5 nm to 1000 nm, which are separated by thinner intermediate layers from another material, and a method for producing such layers.
Wird Molybdändisulfid durch PVD auf ein Substrat aufgebracht, bilden sich nur im Anfangsstadium des Wachstums Molybdändisulfid-Schichten mit einer kristallographischen (0001)-Textur (Basalorientierung), also einer zu der beschichteten Substratoberfläche parallelen Anordnung der Schichten des Molybdändisulfid- Kristallgitters. Schon nach Erreichen einer sehr geringen Schichtdicke von etwa 0,1 µm ist die Basalorientierung nicht mehr dominierend, d. h. der durchschnittliche Winkel zwischen den (0001)-Ebenen der Molybdändisulfid-Kristallite und der Substratoberfläche vergrößert sich mehr und mehr, bis es beim weiteren Schichtwachstum zur Bildung einer Säulen- oder kolumnaren Struktur kommt, bei der die (0001)-Ebenen des Kristallgitters nahezu senkrecht zur Substratoberfläche verlaufen.If molybdenum disulfide is applied to a substrate by PVD, only in the Initial stage of growth with a layer of molybdenum disulfide crystallographic (0001) texture (basal orientation), i.e. one to the coated one Parallel arrangement of the layers of the molybdenum disulfide Crystal lattice. Already after reaching a very small layer thickness of about 0.1 µm the basal orientation no longer dominates, d. H. the average angle between the (0001) planes of the molybdenum disulfide crystallites and the substrate surface enlarges more and more until it forms a further layer growth Columnar or columnar structure comes in which the (0001) planes of the crystal lattice run almost perpendicular to the substrate surface.
Die kurze Lebensdauer einer solchen durch PVD aufgebrachten Molybdändisulfid-Schicht beruht auf dem Abbrechen der Säulen innerhalb der kolumnaren Struktur bei mechanischer Beanspruchung. Der erzielbare Schmiereffekt ist ausschließlich auf die dünne Molybdändisulfid-Schicht mit Basalorientierung zurückzuführen. Außerdem fördern andere kristallographische Texturen als die Basalorientierung das Eindiffundieren von Sauerstoff und Wasser in die Molybdändisulfid-Schicht, wodurch es zur Bildung von Molybdänoxid (z. B. MoO3) kommt, das eine Versprödung der Schmierschicht bewirkt. Dieses läßt sich darauf zurückführen, daß nur die (0001)-Ebenen des Kristallgitters chemisch inert sind; eine chemisch inerte Schichtoberfläche läßt sich nur mittels einer (0001)-Textur (Basalorientierung) erzeugen. Dieses entspricht einer Molybdändisulfid- Schicht mit Basalorientierung (0001-Ebenen liegen parallel zur Schichtoberfläche).The short lifespan of such a molybdenum disulfide layer applied by PVD is due to the columns breaking off within the columnar structure when subjected to mechanical stress. The lubricating effect that can be achieved is exclusively due to the thin molybdenum disulfide layer with a basal orientation. In addition, crystallographic textures other than the basal orientation promote the diffusion of oxygen and water into the molybdenum disulfide layer, which leads to the formation of molybdenum oxide (e.g. MoO 3 ), which causes embrittlement of the smear layer. This can be attributed to the fact that only the (0001) planes of the crystal lattice are chemically inert; A chemically inert layer surface can only be created using a (0001) texture (basal orientation). This corresponds to a molybdenum disulfide layer with a basal orientation (0001 levels lie parallel to the layer surface).
US 5 282 985 offenbart eine mehrschichtige Feststoffschmierschicht mit stöchiometrischem MeX2 als Hauptschicht und dazwischenliegenden Zwischenschichten, die bei geeigneter Wahl der Schichtdicken das Problem der abbrechenden Säulen eliminiert. Die dort beschriebenen Verbindungen besitzen aufgrund ihres schichtförmigen Aufbaus gute Schmiermitteleigenschaften. Dies gilt insbesondere für Schichten mit Molybdändisulfid (MoS2). Allerdings bleibt die Lebensdauer auch solcher Schichten noch weit hinter den Erwartungen zurück.US Pat. No. 5,282,985 discloses a multilayer solid lubricant layer with stoichiometric MeX 2 as the main layer and intervening intermediate layers which, with a suitable choice of the layer thicknesses, eliminates the problem of the breaking columns. The compounds described there have good lubricant properties due to their layered structure. This applies in particular to layers with molybdenum disulfide (MoS 2 ). However, the service life of such coatings is still far below expectations.
DE 35 16 933 C3 offenbart ein Verfahren zur Herstellung dickerer laminarer MoS2- Schichten, d. h., mit einer Basal oder 0001-Orientierung. Dazu wird jedoch der Wasserdampfpartialdruck in der Sputter-Kammer auf einen extrem niedrigen Wert herabgesetzt, so daß dieses Verfahren mit einem entsprechend hohen Aufwand verbunden ist.DE 35 16 933 C3 discloses a method for producing thicker laminar MoS 2 layers, ie with a basal or 0001 orientation. For this purpose, however, the water vapor partial pressure in the sputtering chamber is reduced to an extremely low value, so that this process is associated with a correspondingly high outlay.
Aus JP 61-231093 A ist es bekannt, Molybdändisulfid-Schichten durch epitaxiales Aufwachsen mit einem Molekularstrahl, also durch Aufwachsen in einzelnen molekularen Schichten zu erzeugen. Nach solchen Verfahren werden bekanntlich Halbleiter-Wafer hergestellt. Hierfür werden Substratträger mit extremer Glätte benötigt. Feststoffschmierschichten auf Werkzeugen können auf diese Weise nicht hergestellt werden.From JP 61-231093 A it is known to molybdenum disulfide layers by epitaxial Growing up with a molecular beam, i.e. by growing up in individual molecular ones To create layers. Semiconductor wafers are known to be made by such processes manufactured. For this, substrate carriers with extreme smoothness are required. Solid lubricating layers on tools cannot be produced in this way become.
Wenn Molybdändisulfid durch physikalische Dampfbeschichtung, insbesondere Plasma- PVD, auf ein Substrat aufgebracht wird, entsteht auch bei den bekannten Mehrschichtsystemen eine Feststoffschmierschicht, die hinsichtlich ihrer Lebensdauer jedoch immer noch weit hinter den Erwartungen zurückbleibt. Darüber hinaus ist eine rasche Versprödung von durch PVD hergestellten Molybdändisulfid-Schmierschichten festzustellen. When molybdenum disulfide is coated by physical vapor coating, especially plasma PVD, which is applied to a substrate, also occurs in the known ones Multi-layer systems have a solid lubricant layer with regard to their service life however still falls far short of expectations. In addition, one rapid embrittlement of molybdenum disulfide smear layers produced by PVD ascertain.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Feststoffschmierschicht der eingangs genannten Art bereitzustellen, die sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnet und nicht zur Versprödung neigt.The object of the invention is to provide a solid lubricant layer of the type mentioned to provide, which is characterized by a long life and not for Embrittlement tends.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Feststoffschmierschicht erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 6 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht angegeben. Im Anspruch 7 ist ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht gekennzeichnet, welches durch die Maßnahmen des Anspruches 8 weiter ausgebildet wird. Der Anspruch 9 bezieht sich auf bevorzugte Verwendungen der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht.According to the invention, this is characterized by that in claim 1 Solid lubricant layer reached. In claims 2 to 6 are advantageous Embodiments of the solid lubricant layer according to the invention specified. in the Claim 7 is a preferred method for producing the invention Solid lubricant layer, which is characterized by the measures of the claim 8 is further trained. The claim 9 relates to preferred uses of the solid lubricant layer according to the invention.
Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, daß der Anteil an Schwefel im Molybdändisulfid oder allgemein an X in MeXn die Schichteigenschaften beeinflußt. Liegt der Anteil im unterstöchiometrischen Bereich, werden die Eigenschaften der Feststoffschmierschicht verschlechtert. Deshalb liegt der Anteil an Schwefel bzw. X erfindungsgemäß in einem überstöchiometrischen Verhältnis gegenüber dem Metall Me vor.The invention is therefore based on the knowledge that the proportion of sulfur in the molybdenum disulfide or in general in X in MeX n influences the layer properties. If the proportion is in the sub-stoichiometric range, the properties of the solid lubricant layer deteriorate. Therefore, the proportion of sulfur or X according to the invention is in an over-stoichiometric ratio compared to the metal Me.
Außerdem wird die strukturelle Integrität der MeXn-Hauptschichten der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht durch Einbringen eines Metalls oder einer Metalllegierung mit einem Gehalt von bis zu 20 Vol.-%, vorzugsweise bis maximal 5 Vol.-% verbessert. Durch das in der MeX2-Hauptschicht dispergierte Metall bzw. Metalllegierung wird die Hauptschicht kompakter und erhält damit einer verbesserten strukturellen Integrität.In addition, the structural integrity of the MeX n main layers of the solid lubricating layer according to the invention is improved by introducing a metal or a metal alloy with a content of up to 20% by volume, preferably up to a maximum of 5% by volume. The metal or metal alloy dispersed in the MeX 2 main layer makes the main layer more compact and thus obtains an improved structural integrity.
Durch akustische Mikroskopie konnte nachgewiesen werden, daß eine Molybdändisulfid- Schicht, in der 5% Chrom dispergiert ist, einen E-Modul von etwa 20 GPa aufweist, während Molybdändisulfid ein E-Modul von lediglich höchstens 1 GPa besitzt. Hierdurch tritt also eine Vervielfachung der Lebensdauer der Feststoffschmierschicht ein. Acoustic microscopy showed that a molybdenum disulfide Layer in which 5% chromium is dispersed, has a modulus of elasticity of about 20 GPa, while molybdenum disulfide has a modulus of elasticity of only 1 GPa at most. Hereby the lifespan of the solid lubricant layer is therefore multiplied.
Zudem wird durch den überstöchiometrischen Schwefelanteil die Sprödigkeit der MoS2- Schicht wesentlich herabgesetzt.In addition, the brittleness of the MoS 2 layer is significantly reduced by the excess of stoichiometric sulfur.
Abb. 1 zeigt zwei schematische Darstellungen, und zwar Fig. 1 shows two schematic representations, namely
Abb. 1a eine Molybdändisulfid-Schicht mit kolumnarer Struktur und Fig. 1a a molybdenum disulfide layer with a columnar structure and
Abb. 1b eine erfindungsgemäße Multilayer Molybdändisulfid-Feststoffschmierschicht mit überstöchiometrischem Sulfid-Anteil. Fig. 1b a multilayer molybdenum disulfide solid lubricating layer according to the invention with overstoichiometric sulfide content.
Wie Abb. 1a zu entnehmen, bildet sich beim Aufbringen von Molybdändisulfid durch PVD auf ein Substrat 1 im Anfangsstadium eine MoS2-Schicht 2 mit Basalorientierung (0001). Schon bei Erreichen einer sehr geringen Schichtdicke der Schicht 2 ist die Basalorientierung nicht mehr dominierend. Das heißt, der durchschnittliche Winkel zwischen den (0001)-Ebenen der Molybdändisulfid-Kristallite und der Oberfläche des Substrats 1 vergrößert sich mehr und mehr, bis es beim weiteren Schichtwachstum zur Bildung einer Säulen- oder kolumnaren Struktur 3 kommt. Durch mehrmaliges Unterbrechen der MoS2-Schichten mittels Zwischenschichten kann dies verhindert werden. Allerdings bleiben auch derartige Schicht-Systeme in ihrer Lebensdauer und bei der Versprödung hinter den Erwartungen zurück.As can be seen in Fig. 1a, when molybdenum disulfide is applied by PVD to a substrate 1 in the initial stage, a MoS 2 layer 2 with a basal orientation is formed ( 0001 ). Even when a very thin layer thickness of layer 2 is reached, the basal orientation is no longer dominant. That is, the average angle between the (0001) planes of the molybdenum disulfide crystallites and the surface of the substrate 1 increases more and more until a columnar or columnar structure 3 is formed as the layer grows further. This can be prevented by interrupting the MoS 2 layers several times by means of intermediate layers. However, such coating systems also fall short of expectations in terms of their service life and embrittlement.
Die erfindungsgemäße Feststoffschmierschicht weist gemäß Abb. 1b einen Multilayer- Aufbau aus Hauptschichten 2 aus überstöchiometrischem Molybdändisulfid mit Basalorientierung, oder allgemein aus der Verbindung der Formel MeXn mit 2 < n < 4 auf, wobei die Hauptschichten durch Zwischenschichten 4 aus einem anderen Material getrennt sind, und in die MeXn-Hauptschicht ein Metall oder eine Metalllegierung mit einem Gehalt von bis zu 20 Vol. % dispergiert ist.According to Fig. 1b, the solid lubricant layer according to the invention has a multilayer structure consisting of main layers 2 made of overstoichiometric molybdenum disulfide with a basal orientation, or generally of the compound of the formula MeX n with 2 <n <4, the main layers being separated by intermediate layers 4 made of another material , and a metal or a metal alloy with a content of up to 20 vol.% is dispersed in the main MeX n layer.
In Abb. 2 ist eine REM-Aufnahme einer erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht mit einer Gesamtdicke von ca. 2,5 µm auf einem Substrat gezeigt, wobei die überstöchiometrische Molybdändisulfid-Hauptschichten eine Schichtdicke von jeweils etwa 80 nm und die Chrommetall-Zwischenschichten jeweils eine Schichtdicke von ca. 7 nm aufweisen. Als dispergiertes Metall in den Hauptschichten wurde hier ebenfalls Chrom verwendet. Fig. 2 shows a SEM image of a solid lubricant layer according to the invention with a total thickness of approx. 2.5 µm on a substrate, the superstoichiometric molybdenum disulfide main layers each having a layer thickness of approximately 80 nm and the chrome metal intermediate layers each having a layer thickness of approx Have 7 nm. Chromium was also used as the dispersed metal in the main layers.
Zur physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD) wird erfindungsgemäß insbesondere das Sputtern, also Plasma-PVD angewandt, und zwar vor allem das Magnetron-PVD oder Sputtern. Dabei wird eine plattenförmige Beschichtungsquelle oder Target (Kathode) verwendet, welche beispielsweise pulvermetallurgisch hergestellt worden ist.For physical deposition from the gas phase (PVD) according to the invention especially sputtering, i.e. plasma PVD applied, and above all that Magnetron PVD or sputtering. A plate-shaped coating source or Target (cathode) used, which have been produced for example by powder metallurgy is.
Wenn das Substrat, wie üblich, mit seiner Oberfläche dem plattenförmigen Target gegenüber, also parallel zum Target angeordnet wird, hat sich gezeigt, daß die aufgebrachte Molybdändisulfidschicht auf dem Substrat keine zufriedenstellenden Schmiereigenschaften besitzt. Wie sich gezeigt hat, ist dies auf ein unterstöchiometrisches Mo : S-Verhältnis von weniger als 2 zurückzuführen.If the substrate, as usual, with its surface the plate-shaped target opposite, that is, arranged parallel to the target, it has been shown that the applied molybdenum disulfide layer on the substrate is not satisfactory Has lubricating properties. As has been shown, this is due to a substoichiometric Mo: S ratio less than 2 attributable.
Die erfindungsgemäßen Molybdändisulfidschichten mit einem überstöchiometrischen Schwefelanteil zeigen hingegen einen besonders ausgeprägten Schmiereffekt. Um ein überstöchiometrisches Verhältnis zu erhalten, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren die zu beschichtende Substratoberfläche nicht parallel zum plattenförmigen Target, sondern schräg dazu, vorzugsweise mit einem Winkel von etwa 60° bis 90°, angeordnet. Auf diese Weise kann mit einem Molybdändisulfid-Target auf einfache Weise eine Molybdändisulfidschicht mit einem stöchiometrischen Schwefelüberschuß erhalten werden. Weshalb sich bei schräger Anordnung der zu beschichtenden Fläche zu dem plattenförmigen Molybdänidsulfid-Target ein überstöchiometrischer Schwefelanteil in der aufgedampften Schicht einstellt, ist auf unterschiedliche Sputterraten für Schwefel und Molybdän und die hohe Flüchtigkeit des Schwefels bei den in der Beschichtungskammer herrschenden Druck-/Temperaturverhältnissen zurückzuführen.The molybdenum disulfide layers according to the invention with an overstoichiometric Sulfur content, however, show a particularly pronounced lubricating effect. To a Obtaining an over-stoichiometric ratio is in the process according to the invention not to be coated substrate surface parallel to the plate-shaped target, but arranged obliquely, preferably at an angle of about 60 ° to 90 °. To this A molybdenum disulfide target can be used in a simple manner Obtained molybdenum disulfide layer with a stoichiometric excess of sulfur become. Which is why when the surface to be coated is arranged obliquely plate-shaped molybdenum sulfide target an over-stoichiometric sulfur content in the evaporated layer is on different sputtering rates for sulfur and Molybdenum and the high volatility of the sulfur in the coating chamber prevailing pressure / temperature conditions.
Die Zwischenschichten zwischen den MeXn-Hauptschichten werden unter Verwendung eines weiteren Targets aus dem Zwischenschichtmaterial ebenfalls durch PVD, insbesondere Magnetron-Sputtern aufgebracht. The intermediate layers between the MeX n main layers are also applied using PVD, in particular magnetron sputtering, using a further target made of the intermediate layer material.
Die Zwischenschichten sollen dabei möglichst dünn sein, um die Schmiereigenschaften der Feststoffschmierschicht möglichst wenig zu beeinträchtigen. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke der Zwischenschichten jeweils 1 nm bis 100 nm, maximal 300 nm. Die Zwischenschichten sind in jedem Falle dünner als die Hauptschichten, vorzugsweise um mindestens eine Größenordnung dünner. Bei zu dicken Zwischenschichten wird der Schmiereffekt beeinträchtigt.The intermediate layers should be as thin as possible to ensure the lubricating properties to impair the solid lubricant layer as little as possible. The is preferably Layer thickness of the intermediate layers in each case 1 nm to 100 nm, maximum 300 nm Intermediate layers are in any case thinner than the main layers, preferably around at least an order of magnitude thinner. If the intermediate layers are too thick, the Lubrication effect impaired.
Durch das Einbringen der dünnen Zwischenschichten wird also das Wachstum der Molybdändisulfid-Schicht wiederholt unterbrochen. Das heißt, bevor es zu einer kolumnaren Ausbildung der Molybdändisulfid-Schicht kommt, wird der PVD-Prozeß unterbrochen und eine Zwischenschicht durch PVD aufgebracht. Im weiteren PVD-Prozeß mit Molybdändisulfid wächst dann dieses anfangs wieder mit Basalorientierung auf. Nach Erreichen der vorgegebenen Molybdändisulfid-Schichtdicke, also vor dem Einsetzen kolumnaren Wachstums, wird der PVD-Prozeß erneut unterbrochen. Diese Folge von abwechselnder Aufbringung einer Molybdändisulfid-Hauptschicht und einer Zwischenschicht wird solange wiederholt, bis die gewünschte Gesamtdicke der Feststoffschmierschicht erreicht ist, die beispielsweise zwischen 10 µm und 100 µm liegen kann.By introducing the thin intermediate layers, the growth of the Molybdenum disulfide layer repeatedly interrupted. That is, before it becomes a columnar formation of the molybdenum disulfide layer comes, the PVD process interrupted and an intermediate layer applied by PVD. In the further PVD process with molybdenum disulphide, this grows up again initially with a basal orientation. To Reaching the specified molybdenum disulfide layer thickness, i.e. before insertion columnar growth, the PVD process is interrupted again. This episode of alternating application of a molybdenum disulfide main layer and one The intermediate layer is repeated until the desired total thickness of the Solid lubricant layer is reached, which are for example between 10 microns and 100 microns can.
Die Schichtdicken der einzelnen Hauptschichten und der einzelnen Zwischenschichten können dabei unterschiedlich sein, um eine bedarfsgerechte Schmiermittelabgabe zu gewährleisten. Der Schmiereffekt der Feststoffschmierschichten soll dabei immer hoch sein. Zum Beispiel besteht in der Einlaufphase ein höherer Schmierbedarf. Durch Modifikation des Schichtsystemaufbaus kann dem höheren Schmierbedarf Rechnung getragen werden. Das Beanspruchungsprofil ist als Auswahlskriterium des Multilayer- Schichtaufbaus zu betrachten. Dabei kann ein Gradientenaufbau vorgesehen sein, wobei die Lagendicke vom Substrat nach außen zunimmt, oder es kann ein periodischer bzw. nicht-periodischer Lagenaufbau vorliegen. Anstelle oder zusätzlich zum Gradientenaufbau kann auch eine variable chemische Zusammensetzung vorgesehen sein.The layer thicknesses of the individual main layers and the individual intermediate layers can be different to ensure that lubricant is dispensed as required guarantee. The lubricating effect of the solid lubricating layers should always be high his. For example, there is a higher need for lubrication in the running-in phase. By Modification of the layer system structure can take the higher lubrication requirement into account be worn. The stress profile is a selection criterion for the multilayer To consider layer structure. A gradient structure can be provided, wherein the layer thickness increases from the substrate to the outside, or a periodic or Non-periodic layer structure is available. Instead of or in addition to the gradient build-up a variable chemical composition can also be provided.
Da in der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht eine Dominanz der Basalorientierung der Molybdändisulfid-Schichten gewährleistet ist, ist die erfindungsgemäße Feststoffschmierschicht auch chemisch inert, d. h. es ist keine Versprödung an der Luft oder durch Wasser zu beobachten. Erfindungsgemäß wird eine kompakte, porenfreie Feststoffschmierschicht erzielt. Der Reibungskoeffizient der Feststoffschmierschichten ist immer geringer als ohne Feststoffschmierschicht (nicht nur bei abrasivem Verschleiß). Da die Feststoffschmierschicht der Entstehung von Wärme bei Gleit-/Wälz-, Umform-, zerspanender und allgemeiner abrasiver Belastung entgegenwirkt, führt sie zu einer höheren Lebensdauer von Bauteilen und Werkzeugen.Since a dominance of the solid lubricant layer according to the invention Basal orientation of the molybdenum disulfide layers is guaranteed Solid lubricating layer according to the invention also chemically inert, d. H. it is not Observe embrittlement in the air or through water. According to the invention compact, non-porous solid lubricant layer achieved. The coefficient of friction of the Solid lubricant layers are always less than without a solid lubricant layer (not only with abrasive wear). Because the solid lubricant layer contributes to the generation of heat Counteracts sliding / rolling, forming, machining and general abrasive loads, it leads to a longer service life of components and tools.
Eine wesentliche Verbesserung der strukturellen Integrität der MeXn-Hauptschichten der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht wird durch Einbringen eines Metalls, oder einer Metalllegierung mit einem Gehalt von bis zu 20 Vol.-%, vorzugsweise bis maximal 5 Vol.-% erreicht. Durch das in der MeXn-Hauptschicht dispergierte Metall, Metalllegierung bzw. Metallverbindung wird die Hauptschicht kompakter und erhält damit einer verbesserten strukturellen Integrität.A substantial improvement in the structural integrity of the MeX n main layers of the solid lubricating layer according to the invention is achieved by introducing a metal or a metal alloy with a content of up to 20% by volume, preferably up to a maximum of 5% by volume. Due to the metal, metal alloy or metal compound dispersed in the MeX n main layer, the main layer becomes more compact and thus receives an improved structural integrity.
Das Metall bzw. die Metalllegierung in den Hauptschichten wird ebenfalls durch PVD in der MeXn-Hauptschicht dispergiert. Dazu kann beispielsweise ein MeXn-Target verwendet werden, aus dem ein Stück herausgenommen und durch ein entsprechendes Stück aus dem Metall, der Metalllegierung oder der Metallverbindung ersetzt ist. Auch kann das Metall oder die Metalllegierung pulvermetallurgisch in das MeXn-Target eingebracht sein. Der Einsatz mehrerer Beschichtungsquellen (Kathoden) bietet eine weitere Möglichkeit.The metal or metal alloy in the main layers is also dispersed by PVD in the MeX n main layer. For this purpose, for example, a MeX n target can be used, from which a piece has been removed and replaced by a corresponding piece made of the metal, the metal alloy or the metal compound. The metal or the metal alloy can also be introduced into the MeX n target by powder metallurgy. The use of several coating sources (cathodes) offers another possibility.
Die Zwischenschicht besteht ebenfalls vorzugsweise aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einer Metallverbindung.The intermediate layer also preferably consists of a metal, a Metal alloy or a metal compound.
Dabei können das gleiche Metall bzw. die gleichen Metalllegierung oder Metallverbindung sowohl zum Dispergieren in der MeXn-Hauptschicht wie als Zwischenschicht verwendet werden oder unterschiedliche Metalle, Metalllegierungen bzw. Metallverbindungen zum Dispergieren in der MeXn-Hauptschicht oder als Zwischenschicht.The same metal or the same metal alloy or metal compound can be used both for dispersing in the MeX n main layer and as an intermediate layer or different metals, metal alloys or metal compounds for dispersing in the MeX n main layer or as an intermediate layer.
Das Metall bzw. die Metalllegierung oder die Metallverbindung kann ein Metall der
Gruppe Ib, insbesondere Kupfer, Silber oder Gold,
der Gruppe IVa, insbesondere Germanium, Zinn oder Blei,
der Gruppe IVb, insbesondere Titan, Zirkon oder Hafnium,
der Gruppe Vb, insbesondere Tantal,
der Gruppe VIb, insbesondere Chrom, Molybdän oder Wolfram,
und
der Gruppe VIIIb des Periodensystems, insbesondere Eisen, Kobalt, Nickel, Palladium,
Platin oder Iridium, oder ein Lanthanoid, wie Cer oder Samarium, oder Magnesium,
Mangan, Rhenium oder Scandium sein.The metal or the metal alloy or the metal compound can be a metal of
Group Ib, in particular copper, silver or gold,
Group IVa, especially germanium, tin or lead,
from group IVb, in particular titanium, zirconium or hafnium,
the group Vb, especially tantalum,
Group VIb, in particular chromium, molybdenum or tungsten, and
Group VIIIb of the periodic table, in particular iron, cobalt, nickel, palladium, platinum or iridium, or a lanthanoid, such as cerium or samarium, or magnesium, manganese, rhenium or scandium.
Insbesondere hat sich Chrom-Metall als geeignet erwiesen, ferner Chromlegierungen, wie Nickelchromlegierungen.In particular, chromium metal has proven to be suitable, as well as chromium alloys, such as Nickel chrome alloys.
Als Metallverbindungen haben sich insbesondere die Sulfide, Selenide, Teloride, Boride und Karbide dieser Metalle der Gruppe Ib, IVa, IVb, Vb, VIb und VIIIb des Periodensystems als geeignet erwiesen.The sulfides, selenides, telorides and borides have been found in particular as metal compounds and carbides of these Group Ib, IVa, IVb, Vb, VIb and VIIIb metals of the Periodic Table proven suitable.
Insbesondere für die Zwischenschichten können jedoch auch nicht metallische Materialien verwendet werden, insbesondere Polymere, wie Polytetrafluorethylen.However, non-metallic materials can also be used, in particular for the intermediate layers are used, in particular polymers such as polytetrafluoroethylene.
Wie tribologische Versuche gezeigt haben, weist eine erfindungsgemäße Molybdändisulfidschicht mit Multilayer-Aufbau gemäß der Abb. 2 mit Chrommetallzwischenschichten und einem Chromgehalt von 4 Vol. % in den Hauptschichten eine mehr als dreimal so hohe Lebensdauer auf, als eine einschichtige kolumnare Molybdändisulfid-Schicht.As tribological experiments have shown, a molybdenum disulfide layer according to the invention with a multilayer structure according to FIG. 2 with chrome metal intermediate layers and a chromium content of 4% by volume in the main layers has a service life which is more than three times as long as a single-layer columnar molybdenum disulfide layer.
Als Substrate, auf die die Feststoffschmierschicht durch PVD erfindungsgemäß aufgebracht werden, kommen insbesondere Substrate aus Metall, insbesondere Stahl, sowie Keramik oder Kunststoff in Frage.As substrates on which the solid lubricating layer by PVD according to the invention applied, come in particular substrates made of metal, especially steel, as well as ceramic or plastic in question.
Die erfindungsgemäße Feststoffschmierschicht ist praktisch für alle abrasiv belasteten Oberflächen geeignet. Sie ist insbesondere für Wälz- und Gleitlager verwendbar, für Umformwerkzeuge und zerspanende Werkzeuge. Bei Umformwerkzeugen werden dabei insbesondere die Flächen mit der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht versehen, die einer hohen Gleitreibung ausgesetzt sind. Bei zerspanenden Werkzeugen wird insbesondere der Bereich des Werkzeuges mit der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht versehen, über den der Span von der Schneide weggeleitet wird.The solid lubricant layer according to the invention is practically abrasive for everyone Suitable surfaces. It is particularly suitable for rolling and plain bearings, for Forming tools and cutting tools. With forming tools provide the surfaces in particular with the solid lubricant layer according to the invention, which are exposed to high sliding friction. With cutting tools in particular the area of the tool with the invention Provide a solid lubricant layer over which the chip is led away from the cutting edge.
In der Gleitlageranwendung ergeben sich durch eine Lebensdauerschmierung mit der erfindungsgemäßen Feststoffschmierschicht, sowie die Tatsache, daß höhere Belastungen auftreten können, ganz neue Möglichkeiten.In plain bearing applications, lifetime lubrication with the solid lubricant layer according to the invention, and the fact that higher loads completely new opportunities can arise.
Auch führt die erfindungsgemäße Schmierschicht zu einer wesentlichen Verringerung der Reibwärmeentwicklung bei zerspanenden Prozessen, wie Bohren, oder Umformprozessen. Dadurch können Kühl- und Schmiermittel überflüssig werden und damit die Entsorgungskosten für diese Mittel entfallen.The lubricating layer according to the invention also leads to a substantial reduction in the Frictional heat development in machining processes such as drilling or forming processes. As a result, coolants and lubricants can become superfluous and thus the Disposal costs for these funds are eliminated.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Feststoffschmierschicht für Getriebeteile verwendbar, beispielsweise Zahnräder, Schalter, Pumpen und dgl.In addition, the solid lubricant layer according to the invention is for transmission parts usable, for example gears, switches, pumps and the like.
Auch ist ein Einsatz der Feststoffschmierschichten im medizinischen Bereich denkbar. Bei Nachweis der Biokompatibilität könnte beispielsweise die erfindungsgemäße Schmierschicht auf Teile von Protesen aufgebracht werden.Use of the solid lubricant layers in the medical field is also conceivable. At Proof of biocompatibility could be, for example, the one according to the invention Smear layer can be applied to parts of protes.
Claims (9)
worin
Me Molybdän, Wolfram, Niob oder Tantal, und
X Schwefel, Selen oder Tellur ist,
mit einem Lagenaufbau aus Hauptschichten aus der Verbindung der Formel MeXn mit einer Schichtdicke von 5 nm bis 1000 nm, die durch dünnere Zwischenschichten aus einem anderen Material getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß 2 < n < 4 ist und daß in den MeXn-Hauptschichten (2) ein Metall oder eine Metalllegierung mit einem Gehalt von bis zu 20 Vol.-% dispergiert ist.1. solid lubricant layer based on at least one compound of the formula MeX n ,
wherein
Me molybdenum, tungsten, niobium or tantalum, and
X is sulfur, selenium or tellurium,
with a layer structure of main layers made of the compound of the formula MeX n with a layer thickness of 5 nm to 1000 nm, which are separated by thinner intermediate layers made of another material, characterized in that 2 <n <4 and in the MeX n - Main layers ( 2 ) a metal or a metal alloy with a content of up to 20 vol .-% is dispersed.
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